Классификация электротехнических материалов

Функции, которые выполняют материалы, разнообразны: обеспечение протекания тока (в проводниковых материалах), сохранение определенной формы при механических нагрузках (в конструкционных материалах), обеспечение изоляции (в диэлектрических материалах), превращение электрической энергии в тепловую (в резистивных материалах). Обычно материал выполняет несколько функций. Например, диэлектрик обязательно испытывает какие-то механические нагрузки, то есть является конструкционным материалом.

Первые изоляторы из резины были не очень удачны. На их поверхности с течением времени образовывались микротрещины, в которых набивалась грязь, образовывались проводящие треки, затем изоляторы пробивались. Подробное изучение поведения изоляторов в электрическом поле проводов высоковольтных линий (ВЛ) в условиях внешних атмосферных воздействий позволило подобрать ряд добавок, улучшивших атмосферостойкость, стойкость по отношению к загрязнениям и действию электрических разрядов. В результате сейчас создан целый класс легких, прочных изоляторов на различные уровни воздействующего напряжения.

Для сравнения, вес подвесных изоляторов для ВЛ 1150 кВ сопоставим с весом проводов в пролете между опорами и составляет несколько тонн. Это вынуждает ставить дополнительные параллельные гирлянды изоляторов, что увеличивает нагрузку на опору. Требуется использовать более прочные, а значит более массивные опоры. Это увеличивает материалоемкость, большой вес опор значительно поднимает расходы на монтаж. Для справки, стоимость монтажа составляет до 70% стоимости строительства линии электропередач. На примере видно, как один элемент конструкции влияет на конструкцию в целом.

Таким образом, электротехнические материалы (ЭТМ) являются одним из определяющих факторов технико-экономических показателей любой системы электроснабжения.

Проводниковыми называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная по сравнению с другими электротехническими материалами электропроводность. Их применение в технике обусловлено в основном этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость при нормальной температуре.

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Однако для большинства металлов температура плавления высока, и только ртуть, имеющая температуру плавления около минус 39 °С, может быть использована в качестве жидкого металлического проводника при нормальной температуре. Другие металлы являются жидкими проводниками при повышенных температурах.

Газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзойдет некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ при равенстве числа электронов числу положительных ионов в единице объема представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

Важнейшими для электротехники свойствами проводниковых материалов являются их электро- и теплопроводность, а также способность генерации термоЭДС.

Полупроводниковыми называют материалы, которые являются по своей удельной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами и отличительным свойством которых является исключительно сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей или других дефектов, а также в большинстве случаев от внешних энергетических воздействий (температуры, освещенности и т. п.).

К полупроводникам относится большая группа веществ с электронной электропроводностью, удельное сопротивление которых при нормальной температуре больше, чем у проводников, но меньше, чем у диэлектриков, и находится в диапазоне от 10-4 до 1010 Ом•см. В энергетике полупроводники напрямую мало используются, но электронные компоненты на основе полупроводников используются достаточно широко. Это любая электроника на станциях, подстанциях, диспетчерских управлениях, службах и т.п. Выпрямители, усилители, генераторы, преобразователи. Также из полупроводников на основе карбида кремния изготавливают нелинейные ограничители перенапряжений в линиях электропередачи (ОПН).

Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реальный (технический) диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением тепла.

Магнитными называют материалы, предназначенные для работы в магнитном поле при непосредственном взаимодействии с этим полем. Магнитные материалы делят на слабомагнитные и сильномагнитные. К слабомагнитным относят диамагнетики и парамагнетики. К сильномагнитным – ферромагнетики, которые, в свою очередь, могут быть магнитомягкими и магнитотвердыми.

Композиционные материалы – это материалы, состоящие из нескольких компонент, выполняющих разные функции, причем между компонентами существуют границы раздела.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Глава 10. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

10.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Материалы в развитии цивилизации всегда играли очень важную роль. Известный американский ученый А. Хиппель высказал мнение, что историю цивилизации можно описать как смену используемых человечеством материалов. Их значение подчеркнул и чехословацкий ученый О. Гоудек, который утверждал, что уровень технического развития страны в большой мере зависит от материалов, которыми она располагает, причем структура и свойства материалов определяют сортамент продукции и технологию ее изготовления. Необходимым условием успешного развития любой технической отрасли является наличие хороших материалов. Электротехника здесь не является исключением. Она относится к исторически молодым отраслям, поэтому в ней трудно выделить периоды подавляющего господства отдельных материалов. В развитии материальной базы происходили определенные скачки, которые сделали возможным открытие новых электротехнических материалов. Сюда можно отнести начало нашего столетия, когда с использованием первого электроизоляционного материала макромолекулярного характера — бакелита в электротехнике началась эра пластических масс. Аналогичные скачки обусловили открытие во время второй мировой войны первых сегнетоэлектрических материалов, пригодных к широкому техническому применению, а после этого внедрение в технику ферритов и полупроводников [10.1, 10.2].

Электротехника предъявляет наиболее высокие требования к качеству используемых материалов. Термин «электротехнический материал» возник аналогично, например, термину «строительный материал» и в широком смысле означает любой материал, который используется в производстве электротехнических изделий. В этом смысле электротехническими материалами можно считать и материалы, которые используются также в других отраслях. В узком смысле это только материал, который имеет специальные свойства. Например, проводниковые материалы должны иметь как можно более высокую способность проводить электрический ток, т.е. они должны иметь как можно меньшее удельное электрическое сопротивление.

Материалы, при использовании которых основными являются другие, а не электрофизические свойства, и которые в электротехнических изделиях выполняют вспомогательные (хотя бы и очень важные) функции, называются вспомогательными или конструкционными материалами. Из конструкционных материалов изготавливается, например, защитный кожух, который защищает оборудование от неблагоприятных внешних воздействий или механического повреждения.

Электротехнические материалы можно систематизировать по различным признакам, в результате чего на практике эти признаки часто пересекаются. Наиболее часто критериями систематизации электротехнических материалов являются область их применения и химический состав. Реже в качестве критериев используются происхождение, агрегатное состояние, структура и т.п.

Различают четыре основные группы электротехнических материалов: проводниковые, полупроводниковые, диэлектрические и магнитные.

Указанная классификация очень приблизительна, поэтому в пределах названных четырех основных групп материалы систематизируются в подгруппы, причем при выборе критерия здесь нет единства.

Проводниковые свойства проявляют как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы.

В электротехнике из твердых проводников наиболее широко используются металлы и их сплавы, различные модификации проводящего углерода и композиции на их основе.

Металлические проводниковые материалы подразделяются на материалы высокой проводимости и сплавы высокого сопротивления. Металлы высокой проводимости используются в тех случаях, когда необходимо обеспечить минимальные потери передаваемой по ним электрической энергии, а сплавы высокого сопротивления, наоборот, в тех случаях, когда необходима трансформация электрической энергии в тепловую.

К жидким проводникам относятся расплавы и электролиты. Если при прохождении тока через жидкие проводники на электродах не происходит выделение продуктов электролиза, то они относятся к проводникам первого рода. Расплавы ионных кристаллов и электролиты относятся к проводникам второго рода, так как при прохождении через них тока происходит перенос вещества, а на электродах выделяются продукты электролиза.

Газы и парообразные вещества становятся проводниками лишь в определенных диапазонах значений давления, температуры и напряженности электрического поля. Близка к газам по своему агрегатному состоянию особая проводящая среда — плазма. К группе проводящих материалов относятся сверхпроводники.

Полупроводниковые материалы чаще всего классифицируются по химическому составу как элементы (простые полупроводники) и соединения (сложные полупроводники). Химические соединения классифицируются далее по количеству составляющих на двухэлементные (бинарные), трехэлементные и многоэлементные. Отдельные составляющие часто обозначаются латинскими буквами А, В, С … с римской (иногда арабской) цифрой в надстрочном индексе, обозначающем принадлежность к группе элементов периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Арабская цифра в подстрочном индексе показывает состав, как и в химической формуле.

Такая классификация не является единственной. Полупроводники классифицируются и по типу электропроводности: те, в которых преобладает электронная электропроводность, называются полупроводниками типа «n», а те, в которых преобладает дырочная электропроводность, — полупроводниками типа «p». Полупроводники по составу делятся на неорганические и органические, а по характеру электропроводности — на электронные и ионные. По структуре различаются кристаллические и аморфные полупроводники.

Диэлектрические материалы, к которым относятся и электроизоляционные материалы, делятся в зависимости от агрегатного состояния на газообразные, жидкие и твердые. Большинство из них относится к твердым, которые делятся на природные и синтетические, а также на органические и неорганические. По размерам молекул органические электроизоляционные материалы делятся на низкомолекулярные и высокомолекулярные. Последние можно также разделить по форме молекул и поведению при нагревании на термопластичные и термореактивные. Однако с точки зрения объяснения электрофизических свойств электроизоляционных материалов гораздо ценнее их классификация на полярные и неполярные.

Магнитные материалы по физическим свойствам делятся на ферромагнитные и ферримагнитные (ферриты), а по применению — на магнитотвердые и магнитомягкие. Последнее деление условно, и некоторые материалы в зависимости от способа обработки могут иметь характер как магнитомягких, так и магнитотвердых. Среди магнитомягких материалов выделяются группы со специальными свойствами, например с прямоугольной петлей гистерезиса, с постоянной магнитной проницаемостью и т.п. Ферримагнитные материалы различают иногда по типу кристаллической структуры.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

2. Материалы и изделия для дощатых полов

2. Материалы и изделия для дощатых полов С давних пор при строительстве жилых домов, различных зданий и сооружений устраивались дощатые полы, для которых применялись в основном изделия из древесины дуба, бука, клена, ясеня, лиственницы, ели, сосны и т. д. Древесину липы и

3. Материалы и изделия для паркетных полов

3. Материалы и изделия для паркетных полов В последние годы увеличилось применение для покрытия полов штучного, мозаичного паркета, паркетных досок, паркетных щитов в частном строительстве (коттеджи, особняки, дачи) и по заказам при ремонте полов в эксплуатирующихся

4. Полимерные материалы и изделия для полов

4. Полимерные материалы и изделия для полов Уже на протяжении нескольких десятилетий при обустройстве полов в общественных зданиях, вспомогательных помещениях промышленных предприятий широко используются полимерные материалы и изделия – в виде рулонных (линолеум,

Глава V. Материалы, применяемые в судостроении § 20. Общие сведения о материалах

Глава V. Материалы, применяемые в судостроении § 20. Общие сведения о материалах В судостроении находит применение большое количество материалов, основными из которых следует считать металлы, дерево и пластмассы. Каждый из применяемых материалов обладает определенными

8.4.2. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ (КА)

8.4.2. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ (КА) Энергетические установки КА. Темпы освоения космического пространства в значительной степени определяются развитием автономных источников электропитания разнообразных космических аппаратов и в перспективе

10.5. КАБЕЛЬНЫЕ ИЗДЕЛИЯ

10.5. КАБЕЛЬНЫЕ ИЗДЕЛИЯ Производство проводов и кабелей уходит своими истоками в глубокую древность, когда люди научились выплавлять металлы, а затем начали изготовлять тонкую золотую и серебряную проволоку, используемую для различных ювелирных украшений и отделки

42. Нержавеющие, теплостойкие и жаропрочные, хладостойкие, электротехнические и износостойкие стали

42. Нержавеющие, теплостойкие и жаропрочные, хладостойкие, электротехнические и износостойкие стали Коррозионная стойкость стали повышается, если содержание углерода снизить до минимально возможного количества и ввести легирующий элемент, образующий с железом твердые

1.1. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

1.1. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Строительные материалы и изделия, применяемые при строительстве линий электропередачи, должны соответствовать проектной документации, государственным стандартам (ГОСТ) и техническим условиям (ТУ) на их изготовление. Соответствие

6.2. КОМПЛЕКТУЮЩИЕ ИЗДЕЛИЯ

6.2. КОМПЛЕКТУЮЩИЕ ИЗДЕЛИЯ 6.2.1. Рукава Рукава резиновые напорно-всасывающие (ГОСТ 5398—76*) предназначены для всасывания и нагнетания различных газов и жидкостей; по назначению их подразделяют на пять классов: Б – для керосина, бензина, дизельных и реактивных топлив, мазута,

Источник

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА.

ПЛАН-КОНСПЕКТ (ТЕЗИСЫ ЛЕКЦИИ)

проведения занятия по дисциплине «Химия радиоматериалов»

Проводниковые материалы. Классификация

и основные свойства

(полное название темы в соответствии с тематическим планом)

ТЕМЫ БЛОКА

Тема №1

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА.

Материалы, широко используемые в радиоэлектронной аппаратуре, имеют различные названия: электротехничес­кие материалы, радиотехнические материалы, материалы электронной техники. Однако принципиальной разницы между этими материалами нет. Несмотря на различия в названиях, все они применяются для изготовления дета­лей или компонентов и устройств электротехнической, радиотехнической, микроэлектронной, вычислительной аппаратуры. Тем не менее все материалы в интересую­щей нас области техники должны обладать вполне опреде­ленным набором свойств, благодаря которым они нахо­дят конкретное применение.

Объединяющим началом всех электротехнических ма­териалов является набор их свойств по отношению к элек­тромагнитному полю. При взаимодействии с электромаг­нитным полем проявляются электрические и магнитные свойства. Это позволяет дать определение понятия «элект­ротехнические материалы» и классифицировать их.

Электро(радио)техническими материалами (ЭТМ) назы­ваются материалы, характеризующиеся определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяющиеся в технике с учетом этих свойств.

По основному электрическому свойству веществ—элек­тропроводности— электротехнические материалы делят­ся на три группы: проводники, полупроводники и диэлект­рики.

По магнитным свойствам вещества делятся на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Каждая из названных групп в свою очередь подразделя­ется на подгруппы по количественным параметрам, ха­рактеризующим их основные свойства. Это позволяет пред­ставить классификацию радиоматериалов в виде обобщен­ной схемы (рис. 1.1).

Для практического использования необходимо, чтобы в количественном отношении электрические или магнитные свойства были достаточно выражены, а механические, тех­нологические и другие характеристики отвечали опреде­ленным требованиям. Поэтому не все из перечисленных групп одинаково широко используются в технике.

1.2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА МАТЕРИАЛОВ

Все существующие в природе материалы независимо от их агрегатного состояния (газообразные, жидкие, твердые) построены из атомов более чем 100 химических элемен­тов. Любое вещество (материал) состоит из огромного ко­личества электрически заряженных частиц — электронов и атомных ядер химических элементов, которые и опреде­ляют его свойства.

Существуют способы упрощенного анализа свойств ма­териалов, позволяющие использовать часть макроскопи­ческих характеристик, полученных экспериментально. При этом наиболее существенные особенности взаимодействия между электронами и ядрами химических элементов, об­разующих вещество, учитываются интегрально или авто­матически.

Одним из таких способов является анализ химических связей элементов вещества. Естественно, что различия типов веществ обусловлены различием в характере рас­пределения электронов в атомах и молекулах, и особенно в характере распределения наиболее удаленных от ядра валентных электронов и ионных атомных остовов. Сопос­тавляя между собой расположение атомов в структуре ве­щества, электронную конфигурацию этих атомов, тип хи­мической связи между ними, можно ответить на ряд важ­ных вопросов о макроскопических свойствах материала, таких, как электропроводность, способность к намагничи­ванию, плотность, твердость, пластичность, температура плавления и т.д.

Наиболее важным в данном подходе к анализу свойств материалов является вопрос о силах связи, удерживающих атомы вместе. Эти силы почти полностью являются сила­ми электростатического взаимодействия между электро­нами и ядрами атомов. Роль сил магнитного происхожде­ния весьма незначительна, а гравитационными силами, из-за малых значений масс взаимодействующих частиц, можно пренебречь. Существование стабильных связей между ато­мами вещества предполагает, что полная энергия Е V _п час­тиц в объеме V вещества в виде суммы кинетической Е_к и потенциальной U_n Е V _п = N (Е V _k+ U V _n) меньше суммарной энергии этого же количества частиц вне объема, т.е. в сво­бодном состоянии Е с _п= N (Е с _к + U c _n). Разность этих энергий Е с _п – Е V _п = Е_св называется энергией химической связи, или энергией связи.

Экспериментально установлено, что электрофизические и механические свойства вещества или материала опреде­ляются характером связи и количественным значением энергии связи Е_св.

По характеру взаимодействия между частицами, состав­ляющими вещество, различают шесть типов химической связи:

• ковалентная полярная, или гомеополярная;

• ионная, или гетерополярная;

Ковалентная неполярная связьвозникает при объеди­нении одноименных атомов в молекулы, например Н₂, О₂, Cl₂, N₂, алмаз, сера, Si, Ge и т.д. При этом происходит обоб­ществление валентных электронов, что приводит к допол­нению внешней электронной оболочки до устойчивого со­стояния. Молекулы с ковалентной неполярной связью имеют симметричное строение, т.е. центры положительно­го и отрицательного зарядов совпадают. В результате элек­трический момент молекулы равен нулю, т.е. молекула — неполярная, или нейтральная.

Следует напомнить, что электрический момент, отлич­ный от нуля, характерен для дипольных молекул. Они представляют собой систему из двух одинаковых по вели­чине и разноименных по знаку электрических зарядов q, расположенных на некотором расстоянии I друг от друга. Для такой системы зарядов или молекулы электрический или дипольный момент μ= ql.

Ковалентная неполярная связь характерна для диэлек­триков и полупроводников.

Ковалентная полярная (гомеополярная, или парно-электронная) связьвозникает при объединении разноимен­ных атомов, например Н₂О, СН₄, СН₃С1, СС1₄ и т.д. При этом также происходит обобществление пар валентных электронов и дополнение внешней оболочки до устойчиво­го состояния. Однако каждая связь имеет дипольный мо­мент. Тем не менее молекула в целом может быть нейт­ральной или полярной (рис. 1.2).

Соединения с гомеополярной связью могут быть ди­электриками (полимерные органические материалы) и по­лупроводниками.

Ионная (гетерополярная) связьвозникает при образо­вании молекулы элементами, находящимися в конце (VII группа) и начале (I группа) таблицы Д.И. Менделеева, на­пример NaCl. При этом валентный электрон металла, слабо связанный с атомом, переходит к атому галогена, достраи­вая его орбиту до устойчивого состояния (8 электронов), В результате образуются два иона, между которыми действу­ют силы электростатического притяжения.

Ионные силы взаимодействия достаточно велики, поэто­му вещества с ионной связью имеют сравнительно высо­кие механическую прочность, температуру плавления и ис­парения. Ионная связь характерна для диэлектриков.

Металлическая связьвозникает между атомами в ме­таллах и является следствием обобществления всех ва­лентных электронов, образующих электронный газ и ком­пенсирующих заряд ионов кристаллической решетки. Бла­годаря взаимодействию электронного газа и ионов возни­кает металлическая связь. Обобществленные электроны слабо связаны с атомными остовами и, с энергетической точки зрения, являются свободными. Поэтому уже при очень слабых внешних электрических полях проявляется высокая электропроводность металлов.

Межмолекулярная, или остаточная, связьхарактер­на для веществ органического происхождения, например парафина. Она возникает между молекулами вещества и является слабой, за счет чего такие материалы имеют низ­кие температуру плавления и механические характерис­тики, свидетельствующие о непрочности молекулярной структуры вещества.

Следует отметить, что обычно атомы в твердом теле не связаны каким-либо одним из рассмотренных видов свя­зи. Поэтому свойства веществ и материалов на их основе удобнее рассматривать и оценивать, анализируя энергети­ческий спектр электронов атомов, составляющих вещество.

Источник